第八章仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1第八章仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì)2第一章

創(chuàng)新概論第二章創(chuàng)新思維與創(chuàng)造原理第三章原理方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)第四章機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)第五章機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)第六章反求工程及創(chuàng)新設(shè)計(jì)第七章TRIZ理論與創(chuàng)新設(shè)計(jì)第八章仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì)第九章機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例第八章仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

仿生與創(chuàng)新密切相關(guān)。通過研究自然界生物的結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)動(dòng)特性與力學(xué)特性，設(shè)計(jì)出模仿生物特性的新材料或新裝置，是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，其創(chuàng)新成果也非常豐碩。第一節(jié)仿生學(xué)與仿生機(jī)械學(xué)簡(jiǎn)述仿生學(xué)(Bionics)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并以此為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的科學(xué)。仿生學(xué)是生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)、腦與認(rèn)知科學(xué)、工程技術(shù)、數(shù)學(xué)與力學(xué)以及系統(tǒng)科學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科，是模仿生物的結(jié)構(gòu)和功能的基本原理，將其模式化，再運(yùn)用于新技術(shù)設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造，使人造技術(shù)系統(tǒng)具有類似生物系統(tǒng)特征的科學(xué)。3仿生學(xué)與機(jī)械學(xué)相互交叉、滲透，形成了仿生機(jī)械學(xué)。仿生機(jī)械學(xué)主要是從機(jī)械學(xué)的角度出發(fā)，研究生物體的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與力學(xué)特性，然后設(shè)計(jì)出類生物體的機(jī)械裝置的學(xué)科。當(dāng)前，仿生機(jī)械學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容有擬人型機(jī)械手、步行機(jī)、假肢以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與控制等問題。4一、仿生學(xué)簡(jiǎn)介仿生學(xué)研究方法的突出特點(diǎn)就是廣泛運(yùn)用類比、模擬和模型方法，理解生物系統(tǒng)的工作原理，中心目的是實(shí)現(xiàn)特定功能。仿生學(xué)研究中存在三個(gè)相關(guān)的方面，即生物原型、數(shù)學(xué)模型和硬件模型。(1)機(jī)械仿生

研究動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，模仿動(dòng)物的地面走和跑、地下的行進(jìn)、墻面上的行進(jìn)、空中的飛、水中的游等運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)方法研制各種運(yùn)動(dòng)裝置。(2)力學(xué)仿生研究并模仿生物體總體結(jié)構(gòu)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性質(zhì)，以及生物體各組成部分在體內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和生物體在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。例如，模仿貝殼建造的大跨度薄膜建筑、模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱、軍事上模仿海豚皮膚的溝槽結(jié)構(gòu)，把人工海豚皮包敷在船艦外殼上，可減少航行湍流，提高航速。

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(3)分子仿生模仿動(dòng)物的腦和神經(jīng)系統(tǒng)的高級(jí)中樞的智能活動(dòng)、生物體中的信息處理過程、感覺器官、細(xì)胞之間的通信、動(dòng)物之間的通信等，研制人工神經(jīng)元電子模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高級(jí)智能機(jī)器人、電子蛙眼、鴿眼雷達(dá)系統(tǒng)以及模仿蒼蠅嗅覺系統(tǒng)的高級(jí)靈敏小型氣體分析儀等。例如根據(jù)象鼻蟲視動(dòng)反應(yīng)制成的“自相關(guān)測(cè)速儀”，可測(cè)定飛機(jī)著陸速度。(4)化學(xué)仿生模仿光合作用、生物合成、生物發(fā)電、生物發(fā)光等。例如，利用研究生物中的酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子，或其類似物的分析和合成，研制了一種類似有機(jī)化合物，在田間捕蟲籠中用極少的量，便可誘殺一種雄蛾蟲。6

(5)信息與控制仿生模仿動(dòng)物體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)調(diào)控、肢體運(yùn)動(dòng)控制、定向與導(dǎo)航等。例如，研究蝙蝠和海豚的超聲波回聲定位系統(tǒng)、蜜蜂的“天然羅盤”、鳥類和海龜?shù)葎?dòng)物的星象導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航和重力導(dǎo)航，可為無人駕駛的機(jī)械裝置在運(yùn)動(dòng)過程中指明方向。7二、仿生機(jī)械學(xué)簡(jiǎn)介

隨著機(jī)械仿生在仿生學(xué)中的快速發(fā)展，逐漸形成了一個(gè)專門研究仿生機(jī)械的學(xué)科，成為仿生機(jī)械學(xué)。它是20世紀(jì)60年代末期由生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械工程、控制論和電子技術(shù)等學(xué)科相互滲透、結(jié)合而形成的一門邊緣學(xué)科。通過研究、模擬生物系統(tǒng)的信息處理、運(yùn)動(dòng)機(jī)能以及系統(tǒng)控制，并通過機(jī)械工程方法論將其實(shí)用化，從而應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、國(guó)防、電子、工業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。仿生機(jī)械(bio-simulationmachinery)，是模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理，設(shè)計(jì)制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機(jī)械。仿生機(jī)械學(xué)研究的領(lǐng)域主要有生物力學(xué)、控制體和機(jī)器人。8生物力學(xué)研究生命的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，包括生物體材料力學(xué)、生物體機(jī)械力學(xué)和生物體流體力學(xué)；控制體是根據(jù)從生物了解到的知識(shí)建造的用人腦控制的工程技術(shù)系統(tǒng)，如機(jī)電假手等；機(jī)器人則是用計(jì)算機(jī)控制的工程技術(shù)系統(tǒng)。仿生機(jī)器人是仿生機(jī)械學(xué)中一個(gè)最為典型的應(yīng)用實(shí)例，其發(fā)展現(xiàn)狀基本上代表了仿生機(jī)械學(xué)的發(fā)展水平。

日本東京大學(xué)在1972年研究出世界上第一個(gè)蛇形機(jī)器人，速度可達(dá)40cm/s；日本本田技術(shù)研究所于1996年研制出世界上第一臺(tái)仿人步行機(jī)器人，可行走、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯和跨越一定高度的障礙；美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)1999年研制的仿袋鼠機(jī)器人采用纖維合成物作為弓腿，被動(dòng)跳躍時(shí)的能量?jī)H損失20%~30%，最大奔跑速度超過1m/s等等。9獵豹機(jī)器人由美國(guó)波士頓動(dòng)力公司開發(fā)，這款機(jī)器人高2英尺，長(zhǎng)3英尺，裝配著一系列高科技裝備，其中包括：激光陀螺儀、照相機(jī)和隨載計(jì)算機(jī)。這款四腿機(jī)械獵豹機(jī)器人具有靈活的脊椎和鉸接式頭部，能夠?qū)崿F(xiàn)沖刺、急轉(zhuǎn)彎，并能突然急剎停止。它的奔跑速度能超過人類以及終結(jié)者類型的機(jī)器人，達(dá)29mph。最終這款機(jī)器人將服役于美國(guó)軍隊(duì)。

獵豹機(jī)器人10獵豹機(jī)器人11我國(guó)對(duì)仿生機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)90年代，在仿生機(jī)器人方面也取得了很多成果，而且有些仿生機(jī)器人在某些方面達(dá)到了國(guó)外先進(jìn)水平。北京理工大學(xué)2002年研制出擬人機(jī)器人，具有自律性，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立行走和太極拳表演等功能；北京航空航天大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所于2004年研制出我國(guó)第一條可用于實(shí)際用途的仿生機(jī)器魚，其身長(zhǎng)1.23m，采用GPS導(dǎo)航，最高時(shí)速可達(dá)1.5/m，能在水下持續(xù)工作2~3小時(shí)；南京航空航天大學(xué)2004年研制出我國(guó)第一架能在空中懸浮飛行的空中仿生機(jī)器人—撲翼飛行器；哈爾濱工業(yè)大學(xué)2001年研制的仿人多靈巧手具有12個(gè)自由度和96個(gè)傳感器，可完成戰(zhàn)場(chǎng)探雷、排雷以及檢修核工業(yè)設(shè)備等危險(xiǎn)作業(yè)。12三、仿生機(jī)械學(xué)中的注意事項(xiàng)仿生機(jī)械是建立在對(duì)模仿生物體的解剖基礎(chǔ)上，了解其具體結(jié)構(gòu)，用高速影像系統(tǒng)記錄與分析其運(yùn)動(dòng)情況，然后運(yùn)用機(jī)械學(xué)的設(shè)計(jì)與分析方法，完成仿生機(jī)械的設(shè)計(jì)過程，是多學(xué)科知識(shí)的交叉與運(yùn)用。

生物的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)性，只是人們開展仿生創(chuàng)新活動(dòng)的啟示，不能采取照搬式的機(jī)械仿生。

注重功能目標(biāo)，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

仿生結(jié)果具有多值性，要選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低廉、使用壽命長(zhǎng)、制造維護(hù)方便的仿生機(jī)構(gòu)方案。

仿生設(shè)計(jì)的過程也是創(chuàng)新的過程，要注意形象思維與抽象思維的結(jié)合，注意打破思維定勢(shì)并運(yùn)用發(fā)散思維解決問題的能力。13第二節(jié)仿生機(jī)械手

人手臂示意圖仿生機(jī)械手不僅是執(zhí)行命令的機(jī)構(gòu)，還應(yīng)該具有識(shí)別的功能，即通常所說的“觸覺”。仿生機(jī)械手一般由手掌和手指組成。在手掌和手指上裝有多種傳感器。對(duì)物體的軟、硬、冷、熱等的感覺靠傳感器識(shí)別，并將所獲得的信息反饋到計(jì)算機(jī)里，以調(diào)節(jié)動(dòng)作。14一、仿生機(jī)械手的機(jī)構(gòu)組成

1.仿生機(jī)械手機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副及自由度仿生機(jī)械手的機(jī)構(gòu)一般為開鏈機(jī)構(gòu)，由若干構(gòu)件組成。在仿生機(jī)械手中，由于各運(yùn)動(dòng)副中的運(yùn)動(dòng)變量都要借助于各種驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)，而無論是轉(zhuǎn)動(dòng)的或移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器均為一個(gè)自由度，所以在仿生機(jī)械手中常用轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，個(gè)別運(yùn)動(dòng)副有時(shí)也可采用球面副。從仿生的觀點(diǎn)出發(fā)，機(jī)械手、機(jī)器人較多地采用了空間開式運(yùn)動(dòng)鏈的機(jī)構(gòu)。肩關(guān)節(jié)人體上肢骨骼機(jī)構(gòu)圖S手掌橈骨尺骨肱骨RSGS

SRS

R15

2.仿生機(jī)械手機(jī)構(gòu)自由度空間機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式人的手臂可以認(rèn)為是一種由許多構(gòu)件組成的開式運(yùn)動(dòng)鏈。人的手臂機(jī)構(gòu)中，n19，pI0，pII1，pIII2，pIV6，pV11

F619(213246511)27手指部分的自由度為

F615(45510)20肩關(guān)節(jié)人體上肢骨骼機(jī)構(gòu)圖S手掌橈骨尺骨肱骨RSGS

SRS

R16二、仿生機(jī)械手實(shí)例瑞士洛桑聯(lián)邦高等理工學(xué)院推出的世界上首個(gè)帶觸覺的機(jī)械手。這款仿生手臂通過電極與人體神經(jīng)相連接，使大腦獲得來自手的觸感。在通過一段時(shí)間的訓(xùn)練后，人們還可以控制這個(gè)機(jī)械手的把握力度，實(shí)現(xiàn)與真實(shí)手臂相近的功能。17二、仿生機(jī)械手實(shí)例

這款仿生機(jī)械手比它的上一代產(chǎn)品更具流線型，外觀也更逼真自然，有兩種尺寸可選，還配有藍(lán)牙功能，方便醫(yī)師及用戶進(jìn)行設(shè)置。產(chǎn)品名稱Pulse源于其采用的一項(xiàng)“脈沖技術(shù)”，該技術(shù)可顯著提高機(jī)械手的抓握力，使其能夠提起重達(dá)90公斤的物體，這個(gè)重量是腕關(guān)節(jié)孱弱的現(xiàn)代人不敢想象的。18二、仿生機(jī)械手實(shí)例

英國(guó)shadow機(jī)器人公司的靈巧機(jī)械手，這可能是目前世界上最靈巧的機(jī)械手。這種仿生手的大拇指和其它幾個(gè)手指可以象人的手指一樣轉(zhuǎn)動(dòng)和抓握，可通過患者的思維和肌肉來控制。這一技術(shù)已經(jīng)在無數(shù)人身上試驗(yàn)過，包括在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中失去手臂的美國(guó)士兵。它是第一款投放市場(chǎng)的真正擁有可彎曲手指(就像你自己的手一樣)的仿生假手。19為實(shí)現(xiàn)骨骼－肌肉的部分功能而研制的致動(dòng)裝置稱為人工肌肉致動(dòng)器。為更好地模擬生物體的運(yùn)動(dòng)功能或在機(jī)器人上的應(yīng)用，已研制出了多種人工肌肉。人工肌肉構(gòu)造圖20

氣動(dòng)人工肌肉是一種體積小巧、柔軟、重量輕、工作簡(jiǎn)單、容易控制的仿生學(xué)產(chǎn)品，它由外部提供的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，作推拉動(dòng)作，其過程就像人體的肌肉運(yùn)動(dòng)。它可以提供很大的力量，而重量卻比較小，最小的氣動(dòng)人工肌肉重量只有10g。氣動(dòng)人工肌肉會(huì)在達(dá)到推拉極限時(shí)自動(dòng)制動(dòng)，不會(huì)突破預(yù)定的范圍。多個(gè)氣動(dòng)人工肌肉可以按任意方向、位置組合，不需要整齊的排列。21仿生機(jī)械手22仿生機(jī)械手23第三節(jié)步行與仿生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)據(jù)調(diào)查，地球上近一半的地面不能為傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛到達(dá)，而很多足式動(dòng)物卻可以在這些地面上行走自如。

啟示有足運(yùn)動(dòng)具有其他地面運(yùn)動(dòng)方式所不具備的獨(dú)特優(yōu)越性能。一、有足動(dòng)物腿部結(jié)構(gòu)分析有足運(yùn)動(dòng)具有較好的機(jī)動(dòng)性，其立足點(diǎn)是離散的，對(duì)不平地面有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以在可能到達(dá)的地面上最優(yōu)地選擇支撐點(diǎn)，有足運(yùn)動(dòng)方式可以通過松軟地面(如沼澤、沙漠等)以及跨越較大的障礙(如溝、坎和臺(tái)階等)。其次，有足運(yùn)動(dòng)可以主動(dòng)隔振，即允許機(jī)身運(yùn)動(dòng)軌跡與足運(yùn)動(dòng)軌跡解耦。盡管路面高低不平，機(jī)身運(yùn)動(dòng)仍可以做到相當(dāng)平穩(wěn)。第三，有足運(yùn)動(dòng)在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，而能耗較少。24落地相抬腿相足端軌跡φ1φ2人的步行狀態(tài)φ1φ2鳥類的步行狀態(tài)在研究有足動(dòng)物時(shí)，觀察與分析腿的結(jié)構(gòu)與步態(tài)非常重要。如人的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，小腿相對(duì)大腿是向后彎曲的；而鳥類的腿部則與人類相反，小腿相對(duì)大腿是向前彎曲的。25

四足動(dòng)物的前腿運(yùn)動(dòng)小腿相對(duì)大腿是向后彎曲的，而后腿則是小腿相對(duì)大腿向前彎曲的。四足動(dòng)物在行走時(shí)一般三足著地，跑動(dòng)時(shí)則三足著地、二足著地和單足著地交替進(jìn)行，處于瞬時(shí)的平衡狀態(tài)。四足動(dòng)物的腿部結(jié)構(gòu)示意圖26兩足動(dòng)物和四足動(dòng)物的腿部結(jié)構(gòu)大多采用簡(jiǎn)單的開鏈結(jié)構(gòu)，多足動(dòng)物的腿部結(jié)構(gòu)可以采用開鏈結(jié)構(gòu)，也可以采用閉鏈結(jié)構(gòu)。開鏈機(jī)構(gòu)的多足動(dòng)物的仿生腿27

二、擬人型步行機(jī)器人擬人型步行機(jī)器人具有類似于人類的基本外貌特征和步行運(yùn)動(dòng)功能，其靈活性高，可在一定環(huán)境中自主運(yùn)動(dòng)，并與人進(jìn)行一定程度的交流，更適合協(xié)同人類的生活和工作，與其他方式的機(jī)器人相比，擬人型機(jī)器人在機(jī)器人研究中占有特殊地位。

1.擬人型步行機(jī)器人的仿生機(jī)構(gòu)擬人型機(jī)器人是一種空間開鏈機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)擬人行走使得這個(gè)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，需要各個(gè)關(guān)節(jié)之間的配合和協(xié)調(diào)。28

從仿生學(xué)角度來看，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩最小條件的兩足步行結(jié)構(gòu)的自由度配置如下表所示。

部位考慮因素自由度數(shù)在不平的表面上站立腳板在不規(guī)則表面著地方便上下臺(tái)階改變行走方向髖關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)21121兩足步行結(jié)構(gòu)的自由度配置

從功能上考慮，一個(gè)比較完善的腿部自由度配置是每條腿上應(yīng)該具備7個(gè)自由度。

29xyz擬人機(jī)器人腿部的理想自由度從國(guó)內(nèi)外研究的較為成熟的擬人型步行機(jī)器人來看，幾乎所有的擬人型步行機(jī)器人腿部的自由度都選擇了6自由度的方式，其分配方式為髖部3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)2個(gè)自由度。由于踝關(guān)節(jié)缺少了1個(gè)自由度，當(dāng)機(jī)器人行走中進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)，只能依靠大腿與上身連接處的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。30

2.擬人型仿生步行機(jī)器人實(shí)例本田技研公司研制的步行機(jī)器人樣機(jī)P3，具有與人類相同的體型，能夠行走并上下樓梯。本田公司開發(fā)的這一機(jī)器人首次實(shí)現(xiàn)了一向被認(rèn)為是難題的雙足穩(wěn)定行走。步行機(jī)器人樣機(jī)P331

2.擬人型仿生步行機(jī)器人實(shí)例

ASIMO(AdvancedStepInnovativeMobility)是本田公司開發(fā)的目前世界上最先進(jìn)的、具有人一樣的極高移動(dòng)能力和高智能的類人型機(jī)器人。ASIMO可以行走自如，進(jìn)行諸如“8”字形行走、上下臺(tái)階、彎腰等各項(xiàng)“復(fù)雜”動(dòng)作；可以隨著音樂翩翩起舞，并能以每小時(shí)9公里的速度奔跑，ASIMO還能與人類互動(dòng)協(xié)作進(jìn)行握手、猜拳等動(dòng)作。步行機(jī)器人樣機(jī)ASIMO32ASIMO33“先行者”人形機(jī)器人

2.擬人型仿生步行機(jī)器人實(shí)例

2000年11月29日，國(guó)防科技大學(xué)經(jīng)過十年攻關(guān)，成功研制出我國(guó)第一臺(tái)擬人型機(jī)器人－“先行者”?！跋刃姓摺鄙砀?.4米，體重20公斤，有人一樣的身軀、頭顱、眼睛、雙臂和雙足，有一定的語言功能，可以動(dòng)態(tài)步行。這臺(tái)類人型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)的突破：從只能平地靜態(tài)步行，到快速自如的動(dòng)態(tài)行走；從只能在已知環(huán)境中行走，到可在小偏差、不確定的環(huán)境中行走；行走頻率也由每6秒1步，提高到每秒2步。34擬人型機(jī)器人是多門基礎(chǔ)學(xué)科、多項(xiàng)高技術(shù)的集成，代表了機(jī)器人的尖端技術(shù)。擬人型機(jī)器人是當(dāng)代科技的研究熱點(diǎn)之一。擬人型機(jī)器人不僅是一個(gè)國(guó)家高科技綜合水平的重要標(biāo)志，也在人類生產(chǎn)、生活中有著廣泛的用途。35Handle(足＋輪式機(jī)器人)36

難點(diǎn)一

柔性控制

Handle的足部關(guān)節(jié)不論是在面臨突然出現(xiàn)的斜坡還是承受落地的沖擊時(shí)都表現(xiàn)出了很好的柔性，這對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性非常關(guān)鍵。如果關(guān)節(jié)使用簡(jiǎn)單的位置或速度控制，機(jī)器人在高速遇到未知的接觸面時(shí)會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生巨大的沖擊力，不僅難以控制，甚至容易損壞機(jī)器人本體。

難點(diǎn)二

大擾度下的非線性系統(tǒng)控制

為了承受如此大的外部擾動(dòng)，用傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單線性倒立擺建模是顯然不夠的，機(jī)器人需要?jiǎng)佑萌硭械年P(guān)節(jié)，所有的運(yùn)動(dòng)資源來維持平衡。比如我們可以注意到Handle轉(zhuǎn)彎時(shí)并不是簡(jiǎn)單地讓輪子差速轉(zhuǎn)動(dòng)，而是像溜旱冰一樣加入了身體的自然側(cè)傾。再比如跳上桌子瞬時(shí)的手臂擺動(dòng)。這樣的一個(gè)機(jī)器人的全身動(dòng)力學(xué)模型是高度非線性的，其實(shí)時(shí)平衡控制解算本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)，更不要說需要考慮在大量擾動(dòng)/不確定性存在時(shí)的穩(wěn)定性了。37

難點(diǎn)三

混合控制

只用一個(gè)連續(xù)模型是沒法做”跳躍“這種動(dòng)作的。機(jī)器人同時(shí)擁有連續(xù)(關(guān)節(jié)角度、速度)和離散(與地面的接觸面位置、數(shù)目)的狀態(tài)，這屬于混合控制“HybridControl”的研究范疇。甚至視頻中“雙手舉起100磅重物”這個(gè)任務(wù)，也需要把重物作為模型的一部分來做控制。

HybridControl這個(gè)學(xué)科本身就還不是很成熟(相對(duì)于其他多數(shù)控制理論而言)，對(duì)于Handle這種非線性混合系統(tǒng)，學(xué)術(shù)界的成果很多都還停留在“證明一個(gè)穩(wěn)定的控制器是否存在”這個(gè)層面，對(duì)于“給定問題如何設(shè)計(jì)一個(gè)控制器”，還并不是很完善。

難點(diǎn)四

硬件本身

官方介紹它身高1.98米，縱跳1.2m。Handle的輪子可以以14km/h的速度前進(jìn)。整個(gè)機(jī)器人由電池供能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和液壓泵。無需外接設(shè)備，一次充電續(xù)航24km。38波士頓動(dòng)力公司最新機(jī)器人39三、多足步行仿生機(jī)器人

1.多足仿生步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)多足仿生一般是指四足、六足、八足的仿生步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)，常用的是六足仿生步行機(jī)器人。四足步行機(jī)器人在行走時(shí)，一般要保證三足著地，且其重心必須在三足著地的三角形平面內(nèi)部才能使機(jī)體穩(wěn)定，故行走速度較慢。多足步行仿生是指模仿具有四足以上的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)情況的設(shè)計(jì)問題。多足仿生步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在進(jìn)行多足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，對(duì)生物原型的觀察與測(cè)量是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)和必要環(huán)節(jié)。40根據(jù)對(duì)步行機(jī)器人足數(shù)與性能定性評(píng)價(jià)，同時(shí)考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性和控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單性，通過對(duì)螞蟻、蟑螂等昆蟲的觀察分析，發(fā)現(xiàn)昆蟲具有出色的行走能力，因此六足步行機(jī)器人得到廣泛應(yīng)用，以保證高速穩(wěn)定行走的能力和較大的負(fù)載能力。步行機(jī)器人腿的配置采用正向?qū)ΨQ分布。

多足步行機(jī)器人模型四足仿生步行機(jī)器人六足仿蟹步行機(jī)器人41六足步行機(jī)器人常見的步行方式是三角步態(tài)。三角步態(tài)中，六足機(jī)器人身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足共同組成支撐相或擺動(dòng)相，處于同相三條腿的動(dòng)作完全一致，即三條腿支撐，三條腿抬腿換步。抬起的每個(gè)腿從軀體上看是開鏈結(jié)構(gòu)，而同時(shí)著地的三條腿或六條腿與軀體構(gòu)成并聯(lián)多閉鏈多自由度機(jī)構(gòu)。六足步行機(jī)器人的行走方式，從機(jī)構(gòu)學(xué)角度看就是3分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)、6分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)及串聯(lián)開鏈機(jī)構(gòu)之間不斷變化的復(fù)合機(jī)構(gòu)。42

2.多足步行仿生機(jī)器人實(shí)例自20世紀(jì)80年代麻省理工學(xué)院研制出第一批可以像動(dòng)物跑和跳的機(jī)器人開始，各國(guó)都積極進(jìn)行多足仿生機(jī)器人的研究，模仿對(duì)象有蜘蛛、蟋蟀、蟹、蟑螂、螞蟻等。目前，多足仿生步行機(jī)器人已出現(xiàn)于多個(gè)領(lǐng)域，特別是在軍事偵察領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。六足步行機(jī)器人43六足步行機(jī)器人44哈爾濱工程大學(xué)的仿生機(jī)器蟹45蜘蛛機(jī)器人46蜘蛛機(jī)器人47巨型六足機(jī)器人48蟑螂機(jī)器人49四足機(jī)器人LittleDog50四足機(jī)器人51猿猴機(jī)器人52沙地六足機(jī)器人53機(jī)器狗協(xié)同合作54第四節(jié)爬行與仿生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)仿生爬行機(jī)器人與傳統(tǒng)的輪式驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人不同，采用類似生物的爬行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)方式使得機(jī)器人可以具有更好的與接觸面的附著能力和越障能力，在軍事偵察及民用高層建筑外墻壁清潔等領(lǐng)域都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。由于這類爬行機(jī)器人在機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和控制方面的特殊要求，使得實(shí)際制作出的仿生爬行機(jī)器人很難達(dá)到預(yù)先的設(shè)計(jì)效果，目前爬機(jī)器人所具有的一系列潛在的優(yōu)越性能還沒有完全得到實(shí)際體現(xiàn)。一、仿生爬行機(jī)器人機(jī)構(gòu)爬行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是多自由度、多關(guān)節(jié)的協(xié)同動(dòng)作。由于關(guān)節(jié)自由度多、動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的爬行運(yùn)動(dòng)比較困難，所以爬行仿生機(jī)構(gòu)在工程中的應(yīng)用很少。55在長(zhǎng)期的進(jìn)化和生存競(jìng)爭(zhēng)中，許多動(dòng)物，如壁虎、蜘蛛、蛇等，具有了優(yōu)異的在光滑或粗糙的各種表面上自如運(yùn)動(dòng)的能力，仿生爬行機(jī)器人的研究有廣闊的應(yīng)用前景。

(一)爬壁機(jī)器人爬壁機(jī)器人必須具有壁面吸附功能和移動(dòng)功能。目前爬壁機(jī)器人的吸附方式主要有三種：真空吸附、磁吸附和推力吸附，近年來又出現(xiàn)了膠吸附、仿壁虎足的干吸附、仿蝸牛的濕吸附、類攀巖抓持和毛刺抓持等方式。移動(dòng)功能則大多以輪式、履帶式和足式三種機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

1.足－掌機(jī)構(gòu)爬壁機(jī)器人對(duì)腿足機(jī)構(gòu)的要求：腿機(jī)構(gòu)具有足夠的剛性和承載能力。腿機(jī)構(gòu)具有足夠大的工作空間。腿機(jī)構(gòu)足端的支撐相直線位移便于控制。

56在腿足機(jī)構(gòu)的端點(diǎn)連接吸掌以后，對(duì)掌機(jī)構(gòu)的要求主要有：掌的姿態(tài)可以調(diào)節(jié)控制，以便在地壁過渡行走時(shí)適應(yīng)壁面法線方向。調(diào)節(jié)掌機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置盡可能安裝到機(jī)器人機(jī)體上。爬壁機(jī)器人在壁面上移動(dòng)時(shí)，處于支撐相的掌與足端應(yīng)沒有限制轉(zhuǎn)動(dòng)的強(qiáng)迫約束。

57

2.吸附機(jī)構(gòu)吸附機(jī)構(gòu)由吸盤和真空發(fā)生器組成，吸盤安裝在吸盤支撐架上，吸盤支撐架和柔性驅(qū)動(dòng)器之間通過連桿和彈簧相連，真空發(fā)生器的出氣口連在吸盤上端的進(jìn)氣口。

爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)58隨著機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一組吸盤完全接觸工作表面達(dá)到吸附狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的電磁閥打開，與之相連的真空發(fā)生器工作產(chǎn)生真空，吸盤吸附在工作表面上；反之，隨著機(jī)器人前進(jìn)，當(dāng)一組吸盤即將要離開平面時(shí)，對(duì)應(yīng)的電磁閥關(guān)閉，則吸盤的吸附力逐漸降到零，而可以脫離工作表面。在設(shè)計(jì)中，任何時(shí)刻都至少保證有3個(gè)吸盤同時(shí)吸附在工作表面上，以產(chǎn)生足夠的吸附力，防止機(jī)器人從墻壁上滑下或傾翻。爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)59機(jī)器人行動(dòng)機(jī)構(gòu)由移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副組成。機(jī)器人的攀爬運(yùn)動(dòng)由移動(dòng)副來完成，當(dāng)其處于平衡位置時(shí)，機(jī)器人可向前或向后各移動(dòng)50mm。當(dāng)一組吸盤吸附時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒條使另一組吸盤前進(jìn)，到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，兩組吸盤交換吸附，繼續(xù)完成下一步動(dòng)作。

爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)60機(jī)器人在墻上或一定坡度的坡面上爬行時(shí)，吸附在工作平面上的吸盤連桿相當(dāng)于一柔性懸臂梁，由于受重力作用會(huì)向下傾斜。這樣，當(dāng)下一吸盤組切入吸附狀態(tài)時(shí)，吸盤連桿在工作面法線方向，將不能保證這組吸盤與已經(jīng)吸附的吸盤組相互平行的姿態(tài)。為了保證吸盤組在垂直于工作面進(jìn)入吸附狀態(tài)，并能夠維持垂直(近似垂直)姿態(tài)，直到吸盤組脫離，需設(shè)計(jì)吸盤組導(dǎo)向裝置。

爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)61機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)由轉(zhuǎn)動(dòng)副完成，基本動(dòng)作與前行時(shí)類似。先讓機(jī)器人處于平衡狀態(tài)，當(dāng)一組吸盤吸附時(shí)，另一組吸盤做轉(zhuǎn)向動(dòng)作，兩組吸盤交替。待完成預(yù)期的轉(zhuǎn)向角度后，機(jī)器人回到平衡位置，等待下一步動(dòng)作指令。為了越障，在吸盤的支撐架上設(shè)計(jì)了由絲桿和齒輪組成的升降機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，絲桿能形成自鎖，保證了機(jī)器人的穩(wěn)定性。

爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)62爬壁機(jī)器人63爬壁機(jī)器人64爬壁機(jī)器人65爬壁機(jī)器人66

(二)仿生蛇形機(jī)器人機(jī)器蛇具有結(jié)構(gòu)合理、控制靈活、性能可靠、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，如在有輻射、有粉塵、有毒環(huán)境下及戰(zhàn)場(chǎng)上執(zhí)行偵察任務(wù)；在地震、塌方及火災(zāi)后的廢墟中尋找傷員；在狹小和危險(xiǎn)環(huán)境中探測(cè)和疏通管道。傳統(tǒng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式無外乎輪式、履帶式和足式三種，而蛇形機(jī)器人是一種新型的仿生機(jī)器人，它實(shí)現(xiàn)了像蛇一樣的“無肢運(yùn)動(dòng)”，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的一個(gè)突破。因而被國(guó)際機(jī)器人業(yè)界稱為“最富于現(xiàn)實(shí)感的機(jī)器人”。

67勞斯萊斯和通用電氣公司的工程師們正在開發(fā)的一種專門用于發(fā)現(xiàn)并修復(fù)飛機(jī)引擎故障的蛇形機(jī)器人。這種機(jī)器蛇將在2014年7月問世，直徑只有大約半英寸。它們將被放入到引擎中，由一名技術(shù)員進(jìn)行控制，技術(shù)員將根據(jù)它們發(fā)回的圖片引導(dǎo)它們進(jìn)入到引擎內(nèi)部，整個(gè)過程有點(diǎn)像遠(yuǎn)距離外科手術(shù)。

修復(fù)飛機(jī)引擎故障的蛇形機(jī)器人68國(guó)防科技大學(xué)研制成功的第一臺(tái)蛇形機(jī)器人，長(zhǎng)1.2m，直徑0.06m，重1.8kg，能像生物蛇一樣扭動(dòng)身軀，在地上或草叢中蜿蜒運(yùn)動(dòng)，可前進(jìn)、后退、拐彎和加速，最大運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)20m/min。頭部是機(jī)器蛇的控制中心，安裝有視頻監(jiān)視器，在其運(yùn)動(dòng)過程中可將前方景象傳輸?shù)胶蠓诫娔X中，科研人員可向機(jī)器蛇發(fā)出各種遙控指令。當(dāng)這條機(jī)器蛇披上“蛇皮”外衣后，還能像真蛇一樣在水中游泳。國(guó)防科技大學(xué)的蛇形機(jī)器人69爬行仿生機(jī)器人二、爬行仿生機(jī)器人實(shí)例

70爬行仿生機(jī)器人二、爬行仿生機(jī)器人實(shí)例

71蛇形機(jī)器人72蛇形機(jī)器人73水陸兩用蛇形機(jī)器人74蛇形機(jī)器人－偵察搜索好幫手75蛇形機(jī)器人76蠕蟲機(jī)器人77第五節(jié)飛行與仿生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)昆蟲與鳥相比，具有更大的機(jī)動(dòng)靈活性。對(duì)昆蟲生理結(jié)構(gòu)和飛行機(jī)理的研究，將仿制出具有更大飛行靈活性和自由度的新型飛行器－仿生飛行機(jī)器人。最近幾年，在昆蟲空氣動(dòng)力學(xué)和機(jī)械電子技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，各國(guó)紛紛開始研究拍翅飛行的仿生飛行機(jī)器人，仿蒼蠅和蚊子的微型機(jī)器人已經(jīng)問世，使得仿生飛行機(jī)器人成為機(jī)器人研究活躍的前沿領(lǐng)域。一、仿生飛行機(jī)器人的翅膀昆蟲是整個(gè)動(dòng)物界最早獲得飛行能力的動(dòng)物。昆蟲飛行的能力和飛行技巧的多樣性，主要來源于它們翅膀的多樣性和微妙復(fù)雜的翅膀運(yùn)動(dòng)模式。

78

(一)以靜電致動(dòng)方式的仿生撲翼

1.撲翼結(jié)構(gòu)通過肌肉的收縮與伸長(zhǎng)使得胸腔發(fā)生變形，從而帶動(dòng)兩側(cè)的翅膀上下?lián)鋭?dòng)，其中彈性胸腔機(jī)構(gòu)的變形對(duì)產(chǎn)生無摩擦的高速撲翼運(yùn)動(dòng)起著重要作用。

支點(diǎn)支點(diǎn)伸長(zhǎng)翅膀上拍翅膀下拍伸長(zhǎng)收縮收縮昆蟲胸腔的橫截面79大多數(shù)昆蟲的撲翼運(yùn)動(dòng)由神經(jīng)所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)來控制，而一些小型昆蟲如蒼蠅、蜜蜂等，撲翼頻率要遠(yuǎn)高于神經(jīng)的脈沖頻率，這時(shí)候撲翼頻率主要是由肌肉、彈性關(guān)節(jié)以及胸腔所組成的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自然頻率決定。對(duì)于尺寸在毫米級(jí)的微撲翼飛行器，其撲翼機(jī)構(gòu)可以采用靜電致動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)以及電磁驅(qū)動(dòng)等方式。隨著尺寸的微小化，靜電換能顯示出其優(yōu)越性。靜電驅(qū)動(dòng)工作原理簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、功耗小、易集成化，隨著半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，為靜電致動(dòng)器的研究提供了可能的技術(shù)背景，使靜電致動(dòng)在微型致動(dòng)器的研究開發(fā)中占據(jù)了突出位置。802.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式仿照昆蟲的胸腔式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主體由上下平行的兩塊極板組成，一塊固定在基體上，另一塊可移動(dòng)板與兩邊的連桿相連接，并通過連桿帶動(dòng)兩邊的翅膀上下?lián)鋭?dòng)。整個(gè)機(jī)構(gòu)沒有軸承和轉(zhuǎn)軸之類的運(yùn)動(dòng)部件，各支點(diǎn)和連接處(A、B、C等處)均采用柔性鉸鏈連接。當(dāng)在上下極板間加上交變電壓時(shí)，機(jī)翼就會(huì)在交變電場(chǎng)的作用下上下?lián)鋭?dòng)。

AC兩自由度胸腔式撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖B81

令激勵(lì)電壓的頻率等于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自然頻率，此時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)有更大的撲翼幅值。當(dāng)給極板兩邊加以不同的電壓時(shí)，兩邊的機(jī)翼就會(huì)產(chǎn)生不同的撲翼幅值，因而引起兩邊的升力及推力大小不同，使得整個(gè)飛行器轉(zhuǎn)向。

AC兩自由度胸腔式撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖B82平扇翻轉(zhuǎn)

撲翼機(jī)構(gòu)分析(二)以分解簡(jiǎn)化撲翼復(fù)雜運(yùn)動(dòng)方式的仿生撲翼

1.仿生撲翼機(jī)構(gòu)仿生飛行機(jī)器人以模仿昆蟲拍翅運(yùn)動(dòng)為主。昆蟲的種類很多，撲翼形式復(fù)雜多樣。在研究中，將昆蟲復(fù)雜的撲翼運(yùn)動(dòng)分解為平扇與翻轉(zhuǎn)兩個(gè)基本動(dòng)作。83平扇翻轉(zhuǎn)

撲翼機(jī)構(gòu)分析

平扇運(yùn)動(dòng)改變翅膀的扇翅角

(下扇的起始位置與翅膀當(dāng)前位置的夾角)，翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變翅膀的翅攻角

(翅膀扇動(dòng)方向與翼后緣指向翼前緣方向的夾角)，這兩個(gè)動(dòng)作的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)昆蟲的自由飛行。以果蠅為例，它在懸停飛行時(shí)，

可以達(dá)到180，在平扇過程中翅保持勻速，并使

為45~50，可以獲得較大升力。84

在上扇與下扇的轉(zhuǎn)換過程中，翅膀迅速翻轉(zhuǎn)以便轉(zhuǎn)換扇翅方向后仍保持相同的翅攻角，在反扇后較快加速到平扇速度也有利于升力的產(chǎn)生。平扇翻轉(zhuǎn)

撲翼機(jī)構(gòu)分析85

由于翅膀處于高頻振動(dòng)狀態(tài)，為了減小慣性力影響，同時(shí)為了最終應(yīng)用撲翼式微型飛行器，運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量應(yīng)盡可能小，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)之間應(yīng)存在盡量小的質(zhì)量耦合，而且機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度也受到限制。平扇翻轉(zhuǎn)

撲翼機(jī)構(gòu)分析862.仿生撲翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)仿生撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要可以分為兩個(gè)部分。

(1)并聯(lián)的兩組曲柄搖桿機(jī)構(gòu)將曲柄輸入的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)搖桿的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)輸出。這兩組連桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)相同，只是曲柄O1A與曲柄O1A

存在一固定的相位差

，所以兩個(gè)搖桿的擺動(dòng)輸出并不同步。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)輸入

擺動(dòng)輸出1AO1O1O2O2A

BB

擺動(dòng)輸出2并聯(lián)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)87

角度差

在不同轉(zhuǎn)角位置時(shí)會(huì)有不同的取值。如圖所示，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，搖桿O2B

會(huì)先到達(dá)搖桿運(yùn)動(dòng)空間的極限位置，隨后搖桿O2B才到達(dá)與其相對(duì)應(yīng)的極限位置。在這一過程中，

會(huì)逐漸減小到零，然后又會(huì)反方向逐漸增大，利用這一特性，將兩個(gè)擺動(dòng)輸出再傳遞到差動(dòng)輪系。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)輸入

擺動(dòng)輸出1AO1O1O2O2A

BB

擺動(dòng)輸出2并聯(lián)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)88擺動(dòng)輸出1O3O4行星輪差動(dòng)輪系原理擺動(dòng)輸出2O3(2)根據(jù)圖示差動(dòng)輪系原理，當(dāng)兩個(gè)擺動(dòng)輸入的

不變時(shí)，行星輪隨著行星架繞軸O3轉(zhuǎn)動(dòng)，自身不轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)兩個(gè)擺動(dòng)輸入的

變化或者反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，行星輪會(huì)繞自身軸線O4轉(zhuǎn)動(dòng)。89擺動(dòng)輸出1O3O4行星輪差動(dòng)輪系原理擺動(dòng)輸出2O3

將翅膀固定在行星輪上，當(dāng)曲柄連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)搖桿擺動(dòng)輸出的

近似不變時(shí)，翅膀保持

不變而做平扇運(yùn)動(dòng)；當(dāng)兩個(gè)搖桿在極限位置處反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，翅膀則完成反扇轉(zhuǎn)換過程中的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過設(shè)計(jì)不同的撲翼機(jī)構(gòu)參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)不同的

及

的撲翼形式。90

二、飛行仿生機(jī)器人實(shí)例

飛行仿生機(jī)器人的飛行性能和物理特征與固定翼飛行模式和旋翼飛行模式相比較，撲翼飛行模式在低速條件下的氣動(dòng)效率最為突出，抗干擾能力也最強(qiáng)，是發(fā)展微小型飛行機(jī)器人最理想的飛行模式，但其復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)還不完全清楚。微小撲翼機(jī)構(gòu)、高效儲(chǔ)能裝置和超輕材料等都是未來發(fā)展的重要方向。微型飛行器不同于普通飛機(jī)，它的雷諾數(shù)極小，表面積與體積之比很大，總質(zhì)量嚴(yán)格受限。在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、飛行力學(xué)、負(fù)載特性、能量供給和敏捷性等方面，飛行仿生機(jī)器人與蜻蜓、蜜蜂或蜂鳥有些相似，與傳統(tǒng)的飛機(jī)有本質(zhì)區(qū)別。91

二、飛行仿生機(jī)器人實(shí)例

飛行仿生機(jī)器人的技術(shù)問題由于微型飛行器的雷諾數(shù)極小，空氣的黏性阻力相對(duì)比較大，并且撲翼式飛行器是以模仿鳥和昆蟲類撲翅運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，但是昆蟲和鳥類的翅膀是平面薄體結(jié)構(gòu)，而非機(jī)翼的流線型，需要充分研究這種非傳統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)和昆蟲翅膀的運(yùn)動(dòng)方式，進(jìn)行提煉和簡(jiǎn)化。撲翼飛行器要求外形小、質(zhì)量輕、驅(qū)動(dòng)元件效率高、能耗少。目前，微型飛行器可用的動(dòng)力源有：內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池、太陽能、電動(dòng)機(jī)以及微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等。從能量轉(zhuǎn)換效率來看，微型內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景非常廣泛，但是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率只有5%左右，而且還存在噪音大和可靠性方面的問題，還需要通過大量的研究以解決這個(gè)關(guān)鍵問題。92

二、飛行仿生機(jī)器人實(shí)例仿生翼必須輕而堅(jiān)固，保證在高頻的振動(dòng)下不會(huì)斷裂，能夠提供足夠的升力和推進(jìn)力，具有很強(qiáng)的靈活性等，這就要求從材料和翼型等方面進(jìn)行分析。目前已研究出在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使用壓電陶瓷和化學(xué)肌肉等智能材料。在飛行控制和通信方面，目前比較有前景的控制方式是在微型飛行器的表面分布微氣囊和微型智能自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，通過微流動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)微型飛行器的飛行控制。此外，飛行器必須具備靈敏的通信系統(tǒng)，來傳遞信息和控制飛行器。研制適合的GPS接收機(jī)和地面匹配系統(tǒng)是目前較為前沿的通信方式。隨著電子和計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，通信系統(tǒng)將更加完善和進(jìn)步。93

美國(guó)空軍拍翅微型飛行器(MAV)小組致力于開發(fā)微型軍用飛行器，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的城市作戰(zhàn)環(huán)境。在美國(guó)俄亥俄州賴特·帕特森空軍基地實(shí)驗(yàn)室，工作人員展示了外形像昆蟲的微型飛行器。撲翼微型飛行器94

美國(guó)空軍拍翅微型飛行器(MAV)小組致力于開發(fā)微型軍用飛行器，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的城市作戰(zhàn)環(huán)境。在美國(guó)俄亥俄州賴特·帕特森空軍基地實(shí)驗(yàn)室，工作人員展示了外形像昆蟲的微型飛行器。撲翼微型飛行器95

南京航空航天大學(xué)的博士生研制的可自主控制和導(dǎo)航的“差動(dòng)式撲翼仿鳥飛行器”。差動(dòng)式撲翼仿鳥飛行器96機(jī)械蜻蜓97機(jī)械蜻蜓內(nèi)部結(jié)構(gòu)98SmartBird99SmartBird內(nèi)部結(jié)構(gòu)100蒼蠅機(jī)器人101第六節(jié)游動(dòng)與仿生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)魚類經(jīng)過億萬年的自然選擇與進(jìn)化，形成了非凡的水中運(yùn)動(dòng)能力，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，也可以在拉力游速或爆發(fā)游速下實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性。目前已研制出的水下仿生機(jī)器人中，根據(jù)其所模仿水下生物運(yùn)動(dòng)方式，可分為仿魚類的游動(dòng)仿生機(jī)器人、仿多足爬行動(dòng)物水下機(jī)器人和仿蠕蟲水下機(jī)器人。一、游動(dòng)仿生機(jī)器人機(jī)構(gòu)原理在對(duì)魚類推進(jìn)機(jī)理的研究中發(fā)現(xiàn)，魚類在其自身的神經(jīng)信號(hào)控制下，可以指揮其體內(nèi)的推進(jìn)肌產(chǎn)生收縮動(dòng)作，導(dǎo)致身體的波狀擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)其在水中的自由游動(dòng)。102根據(jù)魚類推進(jìn)運(yùn)動(dòng)的特征，可以劃分為兩種基本推進(jìn)模式：身體波動(dòng)式和尾鰭擺動(dòng)式。游動(dòng)方向波動(dòng)方向身體波動(dòng)式推進(jìn)模式103根據(jù)魚類推進(jìn)運(yùn)動(dòng)的特征，可以劃分為兩種基本推進(jìn)模式：身體波動(dòng)式和尾鰭擺動(dòng)式。游動(dòng)方向尾鰭形狀尾鰭擺動(dòng)式推進(jìn)模式104在波動(dòng)式推進(jìn)中，魚類游動(dòng)時(shí)整個(gè)身體(或幾乎整個(gè)身體)都參與了大振幅的波動(dòng)。由于在整個(gè)身體長(zhǎng)度上至少提供了一個(gè)完整的波長(zhǎng)，所以使橫向力相抵消，使橫向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)降低到最小。波動(dòng)式推進(jìn)的推進(jìn)效率主要與波的傳播速度有關(guān)，波的傳播速度越大，推進(jìn)效率就越高。波動(dòng)式推進(jìn)主要適用于在狹縫中的穿行。游動(dòng)方向波動(dòng)方向身體波動(dòng)式推進(jìn)模式105尾鰭擺動(dòng)式推進(jìn)方式是效率最高的推進(jìn)模式，海洋中游動(dòng)速度最快的魚類都采用尾鰭擺動(dòng)式推進(jìn)模式。在運(yùn)動(dòng)過程中尾鰭擺動(dòng)，身體僅有小的擺動(dòng)或波動(dòng)，甚至保持很大的剛性。游動(dòng)方向尾鰭形狀尾鰭擺動(dòng)式推進(jìn)模式106二、游動(dòng)仿生機(jī)器人實(shí)例

美國(guó)麻省理工學(xué)院的教授根據(jù)“射流推進(jìn)理論”，1994年成功研制了世界上真正意義的游動(dòng)仿生機(jī)器人－仿生金槍魚(RoboTuna)和仿生梭魚(RoboPike)。機(jī)器魚Tuna機(jī)器魚Pike107

RoboTuna模仿藍(lán)鰭金槍魚而制造，長(zhǎng)約4英尺，由2843個(gè)零件組成，具有關(guān)節(jié)式鋁合金脊柱、真空聚苯乙烯肋骨、網(wǎng)狀泡沫組織，用聚氨基甲酸酯彈性纖維紗表皮包裹，裝有多臺(tái)2馬力的無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)、軸承及電路等。機(jī)器魚Tuna

RoboTuna在多處理器控制下，通過擺動(dòng)軀體和尾巴，能像真魚一樣游動(dòng)，速度可達(dá)7.2km/h(4節(jié))，RoboTuna的擺動(dòng)式尾巴有助于機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)效率達(dá)91%。108

RoboPike由玻璃纖維制成，上面覆蓋一層鋼絲網(wǎng)，最外面是一層合成彈力纖維，尾部由彈簧狀的錐形玻璃纖維線圈制成。它的硬件系統(tǒng)主要包括：頭部、胸鰭、尾鰭、主體伺服系統(tǒng)、胸鰭伺服系統(tǒng)、尾部及尾鰭伺服系統(tǒng)以及電池等。

RoboPike采用一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)為其提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)以實(shí)現(xiàn)軀體擺動(dòng)。

RoboPike的研制成功，揭示了魚類為什么比我們想象的游得要快的原因，因?yàn)轸~類看上去不具備使其游得那樣快的肌肉力量，同時(shí)證明其具有良好的在靜止?fàn)顟B(tài)下的轉(zhuǎn)向和加速能力。機(jī)器魚Pike109

2004年12月，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所和中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所合作，成功地研制出了“SPCII”仿生機(jī)器魚。這條機(jī)器魚主要由動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、圖像采集和圖像信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)3部分組成。機(jī)器魚同時(shí)裝有衛(wèi)星定位系統(tǒng)，如果啟用該系統(tǒng)，機(jī)器魚可以自行按設(shè)定航線行進(jìn)。機(jī)器魚的殼體仿照鯊魚的外形，主要制造材料為玻璃鋼和纖維板，體表是復(fù)合材料。魚體長(zhǎng)度1.23m，總重40kg，最大下潛深度5m，最高速度可達(dá)1.5m/s，能夠在水下連續(xù)工作2~3小時(shí)?！癝PCII”型仿生機(jī)器魚110美國(guó)密歇根州立大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)出的低能耗機(jī)器魚，它幾乎不需要使用能源，可以在水中永遠(yuǎn)滑動(dòng)下去，同時(shí)還能收集水質(zhì)的數(shù)據(jù)。這部機(jī)器魚的滑動(dòng)能力來自于新安裝的抽水泵，這個(gè)抽水泵會(huì)在魚身中吸入并排出水流，從而施展上升或下降的動(dòng)作。另外，機(jī)器的電池組位于機(jī)身尾部，尾部會(huì)隨著抽吸動(dòng)作前后移動(dòng)，讓機(jī)器魚可以在希望的路徑上滑行。低能耗機(jī)器魚111BIOSwimmer美國(guó)國(guó)土安全局的科學(xué)與技術(shù)部門的科研人員根據(jù)金槍魚的構(gòu)造制造了一只水下監(jiān)控機(jī)器魚BIOSwimmer。

BIOSwimmer的背部安裝有一個(gè)小型電腦，它主要用于導(dǎo)航、通信以及傳感器的處理工作。另外，在BIOSwimmer內(nèi)部還安裝了一個(gè)可轉(zhuǎn)換傳感器，有了這個(gè)裝置，該機(jī)器魚在水下執(zhí)行任務(wù)的時(shí)候則可在此前設(shè)定好數(shù)值的基礎(chǔ)上根據(jù)環(huán)境的變化而做出相應(yīng)的變更。BIOSwimmer將用于一些大型UUV(UnmannedUnderseaVehicle)不能進(jìn)入的區(qū)域執(zhí)行勘測(cè)任務(wù)。112機(jī)器魚113水陸兩棲“蠑螈”機(jī)器人114五大未來仿生動(dòng)物機(jī)器人1.水母機(jī)器人(BionicAquajelly)水母機(jī)器人由德國(guó)Festo公司所研制生產(chǎn)。它長(zhǎng)有觸角，體內(nèi)充滿了氦氣，在空中飄浮時(shí)就好像水中浮動(dòng)的水母一樣。水母機(jī)器人的靈活性與便捷性體現(xiàn)了人工智能